本课程是面向信息学院光信和电科专业本科生的核心专业基础课。定位于为培养信息科学类工程技术及研究型最优秀人才打好激光物理基础，按照研究型大学的教学理念采用研究型教学模式。课程的教学理念：把培养学生的科学本质和创新精神放在第一位。教学内容：精讲巩固基础，加强科技前沿介绍。教学方法：讲课主要是讲物理概念、处理问题的思路方法，讲重点、讲难点；既注意严格的逻辑推理又进行渗透式、归纳式、讨论式教学以培养学生的创新精神和自主学习的能力。

 

教学手段：课堂讲授采用多媒体与版书结合，电子教案上网，开展网络讨论和师生交流。

 

我院《激光原理》课程有着悠久的历史和辉煌的教育业绩，目前已成为信息学院精品课程。该课程依托“光学工程”省级重点学科和省光子学重点实验室和博士后流动站，有坚实的科研基础和高水平的师资队伍。该课程所采用的《激光原理》教材获得同行的一致好评，并被多所高校采用。该专业的毕业生许多已成我国光学行业的栋梁之材，有的成为了院士、长江学者，有的成为了某个研究标的目的的战略科学家。

 

简介

　　激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又非常非常重[1]大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，并且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。该项目在华中科技大学武汉光电国家实验室和武汉东湖中国光谷得到充分表现，也在军事上起到重大作用。

激光产生

 

　　一．物质与光彼此作用的规律

　　光与物质的彼此作用，本色上是组成物质的微不雅观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表示。

　　微不雅观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的

  

物质与光彼此作用的规律

 

状态（或者简单地表述为处在某一个能级上）。与光子彼此作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为=△E/h（h为普朗克常量）。

　　1. 受激吸收（简称吸收）

　　处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的彼此作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。

　　2. 自发辐射

　　粒子受到激发而进入的高能态，不是粒子的不变状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，既使没有外界作用，粒子也有必然的概率，自发地从高能级（E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率 =（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播标的目的上的一致，是物理上所说的非相干光。

　　3. 受激辐射、激光

　　1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以必然的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播标的目的都相同的光子，这个过程称为受激辐射。

　　可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着本来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。

　　

  

激光

 

．粒子数反转

　　爱因斯坦1917提出受激辐射，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是，普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。

　　当频率必然的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必需使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。

　　理论研究表白，任何工作物质，在适当的激励条件下，可在粒子体系的特定凹凸能级间实现粒子数反转。

　　若原子或分子等微不雅观粒子具有高能级E2和低能级E1,E2和E1能级上的布居数密度为N2和N1，在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率、相位、传播标的目的和偏振标的目的。因此，大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时，两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2＜N1，所以自发吸收跃迁占优势，光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使N2＞N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下，受激发射跃迁占优势。光通过一段长为l的处于粒子数反转状态的激光工作物质(激活物质)后，光强增大eGl倍。G为正比于(N2-N1)的系数，称为增益系数，其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。

　　如果，把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜（其中至少有一个是部分透射的）构成的光学谐振腔中（图1），处于高能级的粒子会产生各种标的目的的自发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外：轴向传播的光波却能在腔内往返传播,当它在激光物质中传播时，光强不竭增长。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ(G0l是小信号增益系数)，则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射）。这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，那么总体而言，就会有光子射出，从而产生激光。

2011年中国激光产业发展标的目的

 

　　2010年，我国激光加工产业有了可喜的转变：经济回暖，订单增多，企业重组，产业细分，向高精专标的目的发展。在2011年及未来，激光产业将何去何从？中国光学学会激光加工专业委员会副主任邓鸿林先生谈行业、企业的发展现状和未来之路。

　　

  

邓鸿林

 

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中国光学学会激光加工专业委员会副主任邓鸿林先生

　　作为我国工业激光风向标的大功率激光切割装备，其市场令人振奋。2010年11月上海国际工业博览会上，国表里20家厂商展出了30台大功率数控激光切割机，是历年国内各种展会上展商与展品最多的一年。展品的亮点是：国产三维激光切割机、国产光纤激光切割机及进口激光与冲裁复合机。会上有6台（4台平面机，2台机器人）国产光纤激光切割机展示6mm以下金属板的切割。

　　激光功率已不足以描述切割能力的大小，亮度（Brightness）才是。亮度的定义是“单位面积单位立体角的激光功率”。对比CO2激光器、碟片激光器和光纤激光器，可以得出这样的结论：直到5千瓦，以光纤激光的亮度最大，切割金属板最快最厚的当属光纤激光。

　　但实际上切割厚板尚不如CO2激光，尽管碳钢对近红外的1.07掺镱光纤激光的吸收率数倍于中红外10.6的CO2激光，但10倍于光纤激光波长的CO2激光之切缝比光纤的宽得多（一般2mm），氧气易于吹入。 这就是CO2激光46年来一直独占固体激光之鳌头的缘由。

　　第一，国产激光切割机的量产与自主开发力度的加大，外国一线公司在华本土化的生产，缩小了二者的产品差距与价格差距。用户对国产机的认同度不竭提高，其在2010年国内市场的占比高达80%。

　　第二，2010年我国千瓦以上大功率CO2激光切割机销量达1000台，占全球市场的20%-25%。上海团结普瑞玛、大族激光、武汉法利莱、奔腾楚天等一线厂商都有大幅的增长。最多一家竟占了国内市场的30%。

　　市场兴旺得力于扩大内需，但主要是这种加工手段的魅力，特别在铁路钢铁、工程机械、汽车造船、航空航天和军工等高端市场的旺盛需求。

　　明年市场难料，但可深信一点，本年大起，明年绝不会大落，作为制造大国的中国，保有量不会低于10000台。须知2000年前的10年我国的总量才280台。

　　第三，我国大功率激光切割装备的产业链远未形成，尚无自主知识产权的新型大功率激光器，无论激光器还是切割机的关键元部件都得依赖进口。价昂的电容切割头及作为耗材的光学镜片等的研发生产，迄今都无人问津。成不了国内配套，进军海外市场不外是梦想。唯有待到国产整机批量出口之日，才是我国这一产业的形成之时。

　　第四，光纤激光是当前的热门话题。ROFIN与TRUMPF别离收购NUFERN与SPI公司发展光纤激光已三年，今春上海慕尼黑激光展上，ROFIN展出了2KW光纤激光器，但全球高功率光纤激光器市场依然是IPG一统天下。继上年SALVAGNINI与LASER PHOTONICS等公司展出用其的光纤激光器之切割机后，2010年11月在亚特兰大的FABTECH 与汉诺威的EUROBLECH 展会上又推出愈来愈多的光纤激光切割机。

　　欣喜的是一批海归博士矢志回国创业，创建了武汉锐科光纤激光、西安炬光等公司，研发生产高功率光纤激光器与二极管激光泵源，相信有自主知识产权的4KW连续波光纤激光器不久将会呈现在国人面前。 超快激光器　　超快激光器是国科激光基于SESAM锁模技术的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飞秒激光器开发的激光器。

　　Amberpico系列皮秒激光器具有超短脉冲宽度（小于15ps）、高单脉冲能量（最大单脉冲能量30mJ）、高重复频率（1kHz以上）和值得信赖的优良输出性能, Amberfemto系列飞秒激光器脉冲宽度小于200fs，重复频率1Hz—100kHz可选，具有优异的空间模式和卓越的功率不变性。可以实现高效的二倍频、三倍频、甚至四倍频光的输出。波长范围遍及红外、绿光、紫外，波长最短可以达到266/263nm。二者是卫星测距、激光精细微加工、非线性光学、激光光谱学、生物医学、强场光学、凝聚态物理学等科研领域强有力的研究工具。

　　超快激光事业部致力于为客户提供不变的高性能超快激光器系统，其部门拥有一批在超快领域工作多年的研发人员，并且在电源、控制和制冷等方面研发实力强大，使国科激光有能力进一步为客户提供更多定制和高性能的产品，更优质的办事，在填补国内空白的基础上大力推广潜力巨大的超快激光器应用市场，促进民族激光产业的振兴。是基于SESAM锁模技术的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飞秒激光器开发的激光器。 皮秒连续锁模激光器　　皮秒连续锁模激光器就是脉冲宽度压缩到ps量级（10-12s） 的“超短”脉冲连续锁模激光器。按照泵浦方式，可以分为灯泵浦皮秒连续锁模激光器和半导体泵浦皮秒连续锁模激光器；按照锁模方式，可以分为半导体可饱和吸收体连续锁模皮秒激光器和染料连续锁模皮秒锁模激光器；按照激光媒质，可以分为固体皮秒连续锁模激光器和光纤皮秒连续锁模激光器等。

　　一般采用半导体可饱和吸收镜作为锁模器件，LD泵浦的皮秒连续锁模激光器。所谓半导体可饱和吸收镜，一般是采用外延法将半导体可饱和吸收体直接生长在半导体布拉格反射镜上，因此被叫做可饱和半导体布拉格反射镜(Saturable Bragg Reflector，简称SBR)或半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror,简称SESAM)。所谓SESAM，它是一种将半导体可饱和吸收材料和反射镜结合在一起的新型器件，当激光入射到可饱和吸收体表面时，下能级的粒子受到激发跃迁到上能级，当上能级的粒子数饱和后，吸收体便被漂白。半导体可饱和吸收体具有两个特征的驰豫时间：带内驰豫时间和带间驰豫时间。带内驰豫时间很短，约为100-200fs；而带间驰豫时间相对较长，约为几皮秒到几百皮秒。

　　在SESAM锁模过程中，带间驰豫时间提供了锁模自启动机制，带内驰豫时间有效压缩脉宽、维持锁模不变。 激光历史　　　激光起源于大物理学家‘爱因斯坦’，1916年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘受激辐射’。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，并且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。

　　1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。按照这一现象，他们提出了"激光原理"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此颁发了重要论文。肖洛和汤斯的研究成果颁发之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。

　　1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼颁布颁发获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

　　1960年7月7日，梅曼研制成功世界上第一台激光器，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。

　　前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。 激光的特点　　（一）定向发光

　　普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个标的目的传播，需要给光源装上必然的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个标的目的射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个标的目的射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。

　　（二）亮度极高

　　在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度八两半斤，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。

　　（三）颜色极纯

　　光的颜色由光的波长（或频率）决定。必然的波长对应必然的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有必然的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。

　　激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10^-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。

　　（四）能量密度极大

　　光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846*10^(14)Hz到7.89510(14)Hz.电磁波谱可大致分为：（1）无线电波——波长从几千米到0.3米摆布，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；（2）微波——波长从0.3米到10^-3米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；（3）红外线——波长从10^-3米到7.8×10^7米；（4）可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从780—380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分；（5）紫外线——波长从3 ×10^-7米到6×10^-10米。这些波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强；（6）伦琴射线—— 这部分电磁波谱，波长从2×10^-9米到6×10^-12米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；（7）γ射线——是波长从10^-10～10^-14米的电磁波。这种不成见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。由此看来，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间里聚集起大量的能量，用做兵器也就可以理解了。 激光的其它特性　　激光有很多特性：首先，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。

　　激光（LASER）是上世纪60年代发明的一种光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母缩写。激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦－氖激光器和氩激光器；固体激光器有红宝石激光器；半导体激光器有激光二极管，像CD机、DVD机和CD-ROM里的那些。每一种激光器都有本身独特的产生激光的方法。 激光技术应用　　激光加工技术是利用激光束与物质彼此作用的特性对材料(包罗金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为：

　　1.激光加工系统。包罗激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。

　　2.激光加工工艺。包罗切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。

　　激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。

　　激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

　　激光治疗：可以用于手术开刀，减轻痛苦，减少感染。

　　激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。

　　激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要表现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比力成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。

　　激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。

　　激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。

　　激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。

　　美国得克萨斯州大学的科学家研制出世界上功率最强大的可操作激光，这种激光每万亿分之一秒产生的能量是美国所有发电厂发电量的2000倍，输出功率超过1 皮瓦——相当于10的15次方瓦。这种激光第一次启动是在1996年。马丁尼兹说，希望他的项目能够在2008年打破这一纪录，也就是说，让激光的功率达到1.3皮瓦到1.5皮瓦之间。超级激光项目负责人麦卡尔·马丁尼兹表示：“我们可以让材料进入一种极端状态，这种状态在地球上是看不到的。我们打算在德州不雅观察的现象相当于进入太空不雅观察一颗正在爆炸的恒星。”

　　激光“抓住”碳纳米管并使之移动

　　比来，科学家开发出用激光“抓住”碳纳米管并使之移动的新技术。这种技术可以为芯片制造工程师提供一种把纳米元件移动到预定位置的新方法，从而制造出以纳米管为基础的微型芯片。

　　直径只有几纳米、长约100纳米的碳纳米管具有半导体性能，这意味着碳纳米管可能在某天成为低功率超快速计算机芯片的基础。迄今，安装碳纳米管的惟一方法是利用一种名为原子力显微镜的昂贵设备，设法鞭策纳米管至预定位置，然而这种方法把持起来十分费事。

　　为了改变这种状况，美国伊利诺伊州纽约大学的科学家和一家光学公司的科研人员试验了一种名为“光学捕捉”的技术，试图更便当地把持碳纳米管。光学捕捉技术就是利用激光能捕捉微小粒子的能力，在移动激光束时使微小粒子跟随激光移动。由于激光能捕捉微小粒子，因此在它移动时就会像镊子一样，“夹”着微小粒子移动。科学家把这种现象称为“激光镊子”。现在生物学家已能用激光镊子夹住单个细胞。例如，从血液中分离出单个血红细胞用于研究镰刀状血红细胞贫血症或疟疾治疗研究。激光镊子能“夹”住微小粒子，是因为激光束中心强度大于边缘强度，因此当激光束照射一个微小粒子时，从中心折射的光线要比向前的光线多。

　　当折射的光线获得向外的冲力时，粒子上的反作用力就使冲力指向激光束中心，因此粒子总是被吸引到激光束中心。如果粒子非常小且具有很小的重力或摩擦力，当激光束移动时，粒子就会跟着移动。

　　然而，激光镊子移动的血细胞直径有几微米，但现在要移动直径仅2～20纳米的碳纳米管会麻烦得多。因此想利用单个激光镊子移动大量碳纳米管到必然位置，可能会与用原子力显微镜一样费事。

　　为此，科学家用一种液晶激光分离器把激光束分成200个可单独控制的小激光束，研究人员可以控制这些激光束使之形成三角形、四边形、五边形和六边形等形状，从而移动大量的纳米管群，使它们在显微镜载片表面定位，达到移动碳纳米管的目的。

　　光学捕捉技术的成功，受到美国加利福尼亚大学的纳米管专家、物理学家亚历克斯·泽特尔的称赞，他说，因为目前还没有一种可靠的技术能把持大量的纳米管，而这种新的光学捕捉技术有可能应用于工业。

　　激光成像：利用激光束扫描物体，将反射光束反射回来，得到的排布挨次不同而成像。用图像落差来反映所成的像。

　　激光成像具有超视距的探测能力，可用于卫星激光扫描成像，未来用于遥感测绘等科技领域。 激光在医学中的应用　　激光在医学上的应用主要分三类：激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗，其中激光治疗又分为：激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。

　　应用于牙科的激光系统依据激光在牙科应用的不同作用，分为几种不同的激光系统。区别激光的重要特征之一是：光的波长，不同波长的激光对组织的作用不同，在可见光及近红外光谱范围的光线，吸光性低，穿透性强，可以穿透到牙体组织较深的部位，例如氩离子激光、二极管激光或Nd：YAG激光(如图1)。而Er：YAG激光和CO，激光的光线穿透性差，仅能穿透牙体组织约0．01毫米。区别激光的重要特征之二是：激光的强度(即功率)，如在诊断学中应用的二极管激光，其强度仅为几个毫瓦特，它有时也可用在激

 《激光技术原理与实验》 课程代码： 课程名称：激光原理与技术实验 学分：3 学时：48 （其中实验学时：16） 先修课程：普通物理、物理光学 一、目的与任务 本课程是测控技术与仪器专业一门理论与实验并重的专业基础课，其教学目的是通过该课程 理论部分的学习，使学生系统掌握激光的基本概念和基础理论，掌握各种类型激光器和基本激光 技术的工作原理与设计方法，了解激光器件和激光技术领域的发展趋势和技术前沿。通过实验环 节的熬炼，进一步加深对激光器和激光技术基本工作原理的理解，认识和熟悉常见激光器的基本 构造、工作特性和调试方法，掌握激光器主要特性参数的测试方法，并学会使用激光实验研究常 用的测试仪器。以期通过本课程的学习，培养学生理论联系实际、综合运用所学基础知识解决实 际工程问题的能力。 二、教学内容及学时分配 理论部分 绪论（1 学时） 第一章 激光的物理基础（4 学时） 1. 激光的特性 2. 光波模式和光子状态 3. 原子的能级、分布和跃迁 4. 激光产生的必要条件与充分条件 第二章 场与物质的彼此作用（4 学时） 1. 谱线加宽与线型函数 2. 激光器的速率方程理论 3. 均匀加宽工作物质的增益系数 4. 非均匀加宽工作物质的增益系数 第三章 光学谐振腔理论 （5 学时） 1. 光学谐振腔的基本知识 2. 光学谐振腔的损耗 3. 光学谐振腔的不变性条件 4. 谐振腔的衍射积分理论 5. 平行平面腔的自再现模 6. 对称共焦腔的自再现模 7. 一般不变球面腔的模式特征 8. 高斯光束 第四章 激光器的工作特性 （4 学时） 1. 连续激光器和脉冲激光器 2. 激光振荡的阈值条件 3. 激光器的振荡模式 4. 激光器的输出特性 5. 单模激光器的线宽极限 6. 激光器的泵浦技术 第五章 典型激光器（4 学时） 1. 概述 2. 气体激光器 3. 固体激光器 4. 光纤激光器 5. 半导体激光器 6. 其他类型激光器 第六章 激光调制技术（2 学时） 1. 调制的基本概念 2. 电光调制 3. 声光调制 4. 直接调制 第七章 调Q 技术与锁模技术（4 学时） 1. 调Q 技术的基本原理 2. 常用的调Q 技术 3. 锁模技术 第八章 激光的频率变换（2 学时） 1. 非线性极化的基础知识 2. 光学倍频 3. 光学参量效应 第九章 激光模式选择与稳频技术（2 学时） 1. 激光横模选择技术 2. 激光纵模选择技术 3. 激光稳频技术 实验部分（实验教师可从下列项目中选择5 项） 1．氦—氖激光器内部参数的测量（3 学时） 2．Nd 3+ ：YAG 脉冲激光器的装调和最佳输出耦合的拔取（3 学时） 3．半导体激光器主要参数的测量（3 学时） 4．光纤激光器主要参数的测量（3 学时） 5．掺钛蓝宝石激光器调谐性能的测量分析（3 学时） 6．氦—氖激光器纵、横模的测量分析（3 学时） 7．电光调制及语音传递实验（3 学时） 8．电光Q 开关技术实验（3 学时） 9．兰姆凹陷稳频激光器原理实验（3 学时） 10．高斯光束的参数测量及其透镜变换（3 学时） 三、考核与成绩评定 考核：理论部分采用闭卷笔试的考核方式，实验部分通过实验报告和实验操作情况评分。 成绩评定：理论部分成绩占60%，其中考试占50%，平时作业占10%；实验部分成绩占40%， 其中实验报告占30%，实验操作占10%。按百分制给出最终成绩。 四、大纲说明 1.本课程涉及的教学内容十分广泛，任课教师在保证基本教学要求的前提下，可以按照实际 情况对教学内容做适当调整和删节。 2. 本课程适用于测控技术与仪器本科专业，同时也可用于非光电子的其它相近专业。